21.1 文件系統概述

21.1.1 簡介

FATFS是一個完全免費開源的FAT文件系統模塊，專門為小型的嵌入式系統而設計。它完全用標準C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺獨立性，甚至可以移植到8位的單片機上而只需做簡單的修改。它支持FAT12、FAT16和FAT32，支持多個存儲媒介；有獨立的緩沖區，可以對多個文件進行讀/寫，并特別對8位單片機和16位單片機做了優化。

FATFS的特點有：

（1）Windows兼容的FAT文件系統（支持FAT12/FAT16/FAT32）

（2）與平臺無關，移植簡單

（3）代碼量少、效率高

（4）多種配置選項

（5）支持多卷（物理驅動器或分區，最多10個卷）

（6）多個ANSI/OEM代碼頁包括DBCS

（7）支持長文件名、ANSI/OEM或Unicode

（8）支持RTOS

（9）支持多種扇區大小

（10）只讀、最小化的API和I/O緩沖區等

FATFS的這些特點，加上免費、開源的原則，使得FATFS應用非常廣泛。FATFS模塊的層次結構如下圖所示。

最頂層是應用層，使用者無需理會FATFS的內部結構和復雜的FAT協議，只需要調用FATFS模塊提供給用戶的一系列應用接口函數，如f_open，f_read，f_write和f_close等，就可以像在PC上讀寫文件那樣簡單。

中間層FATFS模塊，實現了FAT文件讀寫協議。FATFS模塊提供的是ff.c和ff.h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用時將頭文件直接包含進去即可。

需要我們編寫移植代碼的是FATFS模塊提供的底層接口，它包括存儲媒介讀寫接口和供給文件創建修改時間的實時時鐘。FATFS的源代碼用戶可以通過官網：http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html下載到。目前最新的版本是R0.14，這里我們采用最新版本的FATFS為例來講解如何將文件系統移植到STM32中。

源代碼下載之后，進行解壓可以發現里面一共有兩個文件夾，doc和src，其中doc是對文件系統的描述，源碼都在src里面，其中，與平臺無關的是：

ffconf.h FATFS模塊配置文件

ff.h FATFS和應用模塊公用的包含文件

ff.c FATFS模塊

diskio.h FATFS和diskI/O模塊公用的包含文件

interger.h 數據類型定義

option 可選的外部功能（比如支持中文等）

與平臺相關的代碼是：

diskio.c FATFS和diskI/O模塊接口層文件

FATFS模塊在移植的時候，我們一般只需要修改2個文件，即ffconf.h和diskio.c。FATFS模塊的所有配置項都是存放在ffconf.h里面，我們可以通過配置里面的一些選項，來滿足自己的需求。接下來我們介紹幾個重要的配置選項。

21.1.2 文件系統配置

（1）_FS_TINY：這個選項在R0.07版本中開始出現，之前的版本都是以獨立的C文件出現（FATFS和TinyFATFS），有了這個選項之后，兩者整合在一起了，使用起來更方便。我們使用FATFS，所以把這個選項定義為0即可

（2）_FS_READONLY：這個用來配置是不是只讀，本章我們需要讀寫都用，所以這里設置為0即可

（3）_USE_STRFUNC：這個用來設置是否支持字符串類操作，比如f_putc，f_puts等，我們需要用到，故設置這里為1

（4）_USE_MKFS：這個用來定時是否使能格式化，本章需要用到，所以設置這里為1

（5）_USE_FASTSEEK：這個用來使能快速定位，我們設置為1，使能快速定位

（6）_USE_LABEL：這個用來設置是否支持磁盤盤符讀取與設置。設置為1，使能，就可以通過相關函數讀取或者設置磁盤的名字了

（7）_CODE_PAGE：這個用于設置語言類型，包括很多選項，我們這里設置為936，即簡體中文（GBK碼，需要c936.c文件支持，該文件在option文件夾）

（8）_USE_LFN：該選項用于設置是否支持長文件名，取值范圍為03。0，表示不支持長文件名，13是支持長文件名，但是存儲地方不一樣，這里使用3，通過ff_memalloc函數來動態分配長文件名的存儲區域

（9）_VOLUMES：用于設置FATFS支持的邏輯設備數目，我們設置為2，即支持2個設備

（10）_MAX_SS：扇區緩沖的最大值，一般設置為512

21.1.3 接口移植

（1）磁盤初始化

（2）檢查磁盤狀態

（3）磁盤讀數據

（4）磁盤寫數據

（5）磁盤雜項功能

21.2 FATFS代碼移植

21.2.1 diskio.c文件修改

（1）修改宏定義如下圖所示。

將14，15行代碼修改為

#define SD_CARD //SD卡,卷標為0

#define EX_FLASH //外部flash,卷標為1

（2）修改disk_status函數如下所示。

DSTATUS disk_status( BYTE pdrv )

{

return RES_OK;

}

（3）修改disk_initialize函數如下所示。

DSTATUS disk_initialize( BYTE pdrv )

{

int res ;

   switch( pdrv )

   {

          case SD_CARD     :      res = SD_Init() ;     break;      //初始化SD卡

          case EX_FLASH     :      W25QXX_Init();      break;//初始化外部FLASH

          case DEV_USB       :      break;

   }

   if( res )

          return STA_NOINIT ;

   else

          return 0 ;

}

（4）修改disk_read函數如下所示。

DRESULT disk_read( BYTE pdrv, BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count )

{

int result;

   switch( pdrv )

   {

          //SD卡

          case SD_CARD      :

                 result = SD_ReadDisk( buff, sector, count ) ;

                 //讀出錯

                 while( result )

                 {

                        SD_Init() ;                                      //重新初始化SD卡

                        result = SD_ReadDisk( buff, sector, count ) ;

                 }

          break;

          //外部FLASH讀寫

          case EX_FLASH     :

                 for( ; count>0; count-- )

                 {

                        W25QXX_Read( buff, sector*512, 512 ) ;

                        sector++;

                        buff+=512;

                 }

          break;

          case DEV_USB       :      break;

   }

   if( result )

          return RES_ERROR ;

   else

          return RES_OK ;

}

（5）修改disk_write函數如下所示。

#if FF_FS_READONLY == 0

DRESULT disk_write( BYTE pdrv, const BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count )

{

int result;

   switch ( pdrv )

   {

          //SD卡

          case SD_CARD :

                 result = SD_WriteDisk( ( u8* )buff, sector, count ) ;

                 //寫出錯

                 while( result )

                 {

                        SD_Init() ;                                 //重新初始化SD卡

                        result = SD_WriteDisk( ( u8* )buff, sector, count ) ;

                 }

                 break ;

          //外部FLASH

          case EX_FLASH :

                 for( ; count>0; count-- )

                 {

                        W25QXX_Write( ( u8* )buff, sector*512, 512 ) ;

                        sector ++ ;

                        buff += 512 ;

                 }

                 break ;

          //其他

          case DEV_USB :

                 break ;

   }

   if( result )

          return RES_ERROR ;

   else

          return RES_OK ;

}

#endif

（6）修改disk_ioctl函數如下所示。

DRESULT disk_ioctl( BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff )

{

DRESULT res;

   //SD卡

   if( pdrv==SD_CARD )

   {

          switch( cmd )

          {

                 case CTRL_SYNC :

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_SIZE :

                        *( DWORD* )buff = 512 ;

                        res = RES_OK;

                        break ;

                 case GET_BLOCK_SIZE :

                        *( WORD* )buff = SDCardInfo.CardBlockSize ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_COUNT :

                        *( DWORD* )buff = SDCardInfo.CardCapacity/512 ;

                        res = RES_OK ;

                        break;

                 default :

                        res = RES_PARERR ;

                        break ;

          }

   }

   //外部FLASH

   else if( pdrv==EX_FLASH )

   {

          switch( cmd )

          {

                 case CTRL_SYNC :

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_SIZE :

                        *( WORD* )buff = 512 ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_BLOCK_SIZE :

                        *( WORD* )buff = 8 ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_COUNT :

                        *( DWORD* )buff = 2048*12 ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 default :

                        res = RES_PARERR ;

                        break ;

          }

   }

   else

          res = RES_ERROR ;   //其他的不支持

   return res;

}

（7）由于新版的文件系統去掉了獲取時間函數，所以這一個函數需要我們自己添加。

//獲取時間

DWORD get_fattime()

{

return 0 ;

}

21.2.2 ffsystem.c文件的修改

（1）內存分配ff_memalloc

void* ff_memalloc( UINT msize )

{

return ( void* )mymalloc( SRAMIN, msize ) ;

}

（2）內存釋放ff_memfree

void ff_memfree( void* mblock )

{

myfree( SRAMIN, mblock ) ;

}

21.2.3 exfuns.c與exfuns.h文件的創建

（1）創建exfuns.h文件，并輸入以下代碼。

#ifndef _EXFUNS_H

#define _EXFUNS_H

#include "sys.h"

#include "ff.h"

extern FATFS *fs[ FF_VOLUMES ] ;

extern FIL *file;

extern FIL *ftemp;

extern UINT br,bw;

extern FILINFO fileinfo;

extern DIR dir;

u8 exfuns_init( void ) ; //為exfuns申請內存

u8 exf_getfree( u8 *drv, u32 *total, u32 *free ) ; //得到磁盤總容量和剩余容量

#endif

（2）創建exfuns.c文件，并輸入以下代碼。

#include "exfuns.h"

#include "malloc.h"

FATFS *fs[ FF_VOLUMES ] ; //邏輯磁盤工作區

FIL *file ; //文件1

FIL *ftemp ; //文件2

UINT br, bw ; //讀寫變量

FILINFO fileinfo ; //文件信息

DIR dir ; //目錄

u8 *fatbuf ; //SD卡數據緩存區

u8 exfuns_init()

{

u8 i;

   for( i=0; i

}

u8 exf_getfree( u8 *drv, u32 *total, u32 *free )

{

FATFS *fs1;

   u8 res;

   u32 fre_clust=0, fre_sect=0, tot_sect=0;

   //得到磁盤信息及空閑簇數量

   res = ( u32 )f_getfree( ( const TCHAR* )drv, ( DWORD* )&fre_clust, &fs1 ) ;

   if( res==0 )

   {                                                                              

          tot_sect =( fs1->n_fatent-2 )*fs1->csize ;          //得到總扇區數

          fre_sect = fre_clust*fs1->csize ;                         //得到空閑扇區數

          //扇區大小不是512字節,則轉換為512字節

          #if FF_MAX_SS!=512

                 tot_sect*=fs1->ssize/512;

                 fre_sect*=fs1->ssize/512;

          #endif

          *total=tot_sect>>1 ;                                                                    //單位為KB

          *free=fre_sect>>1 ;                                            //單位為KB

}

return res;

}

注：如果SD卡文件系統不能正確掛載則需要修改SD卡驅動文件中的兩個參數，如下圖所示。

21.3 內存管理

21.3.1 內存管理簡介

內存管理，是指軟件運行時對計算機內存資源的分配和使用的技術。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在適當的時候釋放和回收內存資源。內存管理的實現方法有很多種，他們其實最終都是要實現2個函數：malloc和free；malloc函數用于內存申請，free函數用于內存釋放。

這一部分我們使用了一種比較簡單的辦法來實現：分塊式內存管理。下面我們介紹一下該方法的實現原理，如下圖所示。

從上圖可以看出，分塊式內存管理由內存池和內存管理表兩部分組成。內存池被等分為n塊，對應的內存管理表，大小也為n，內存管理表的每一個項對應內存池的一塊內存。內存管理表的項值代表的意義為：當該項值為0的時候，代表對應的內存塊未被占用，當該項值非零的時候，代表該項對應的內存塊已經被占用，其數值則代表被連續占用的內存塊數。比如某項值為10，那么說明包括本項對應的內存塊在內，總共分配了10個內存塊給外部的某個指針。

內存分配方向如圖所示，是從頂到底的分配方向。即首先從最末端開始找空內存。當內存管理剛初始化的時候，內存表全部清零，表示沒有任何內存塊被占用。

21.3.2 分配原理

當指針p調用malloc申請內存的時候，先判斷p要分配的內存塊數m，然后從第n項開始，向下查找，直到找到m塊連續的空內存塊（即對應內存管理表項為0），然后將這m個內存管理表項的值都設置為m（標記被占用），最后，把最后的這個空內存塊的地址返回指針p，完成一次分配。注意，如果當內存不夠的時候（找到最后也沒找到連續的m塊空閑內存），則返回NULL給p，表示分配失敗。

21.3.3 釋放原理

當p申請的內存用完，需要釋放的時候，調用free函數實現。free函數先判斷p指向的內存地址所對應的內存塊，然后找到對應的內存管理表項目，得到p所占用的內存塊數目m（內存管理表項目的值就是所分配內存塊的數目），將這m個內存管理表項目的值都清零，標記釋放，完成一次內存釋放。

21.3.4 源代碼實現

（1）創建malloc.h文件，并輸入以下代碼。

/*********************************************************************************************************
                內    存    管    理    文    件
*********************************************************************************************************/
#ifndef _MALLOC_H_
#define _MALLOC_H_


#include "sys.h"
/*********************************************************************************************************
                數    據    結    構    定    義
*********************************************************************************************************/
//定義兩個內存池
#define SRAMIN   0    //內部內存池
#define SRAMBANK   1  //定義支持的SRAM塊數
//mem1內存參數設定
#define MEM1_BLOCK_SIZE      32                                    //內存塊大小為32字節
#define MEM1_MAX_SIZE      40*1024                                  //最大管理內存40K
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE  MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE                      //內存表大小
//內存管理控制器
struct _m_mallco_dev
{
  void ( *init )( u8 ) ;              //初始化
  u8 ( *perused )( u8 ) ;              //內存使用率
  u8   *membase[ SRAMBANK ] ;            //內存池 管理SRAMBANK個區域的內存
  u16 *memmap[ SRAMBANK ] ;            //內存管理狀態表
  u8  memrdy[ SRAMBANK ] ;            //內存管理是否就緒
};
extern struct _m_mallco_dev mallco_dev;                                  //在mallco.c里面定義
/*********************************************************************************************************
                  函    數    列    表
*********************************************************************************************************/
void my_mem_init( u8 memx ) ;                                      //內存管理初始化函數
u8 my_mem_perused( u8 memx ) ;                                      //獲得內存使用率
void myfree( u8 memx, void *ptr ) ;                                    //內存釋放
void *mymalloc( u8 memx, u32 size ) ;                                  //內存分配
void *myrealloc( u8 memx, void *ptr, u32 size ) ;                            //重新分配內存


#endif

（2）創建malloc.c文件，并輸入以下代碼。

/*********************************************************************************************************
                內    存    管    理    程    序
*********************************************************************************************************/
#include "malloc.h"      


__align(32) u8 mem1base[ MEM1_MAX_SIZE ] ;                                //內部SRAM內存池
u16 mem1mapbase[ MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE ] ;                                //內部SRAM內存池MAP
const u32 memtblsize[ SRAMBANK ]={ MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE } ;                      //內存表大小
const u32 memblksize[ SRAMBANK ]={ MEM1_BLOCK_SIZE } ;                          //內存分塊大小
const u32 memsize[ SRAMBANK ]={ MEM1_MAX_SIZE } ;                            //內存總大小
//內存管理控制器
struct _m_mallco_dev mallco_dev=
{
  my_mem_init,                  //內存初始化
  my_mem_perused,                  //內存使用率
  mem1base,                    //內存池
  mem1mapbase,                  //內存管理狀態表
  0,                        //內存管理未就緒
};
/***************************************************
Name    :mymemcpy
Function  :復制內存
Paramater  :
      *des:目的地址
      *src:源地址
      n:需要復制的內存長度(字節為單位)
Return    :None
***************************************************/
void mymemcpy( void *des, void *src, u32 n )
{
    u8 *xdes=des ;
  u8 *xsrc=src ;
    while( n-- )
    *xdes++ =*xsrc++ ;
}
/***************************************************
Name    :mymemset
Function  :設置內存
Paramater  :
      *s:內存首地址
      c:要設置的值
      count:需要設置的內存大小(字節為單位)
Return    :None
***************************************************/
void mymemset( void *s, u8 c, u32 count )
{
    u8 *xs=s ;
    while( count-- )
    *xs++ = c ;
}
/***************************************************
Name    :my_mem_perused
Function  :內存分配
Paramater  :
      memx:所屬內存塊
      size:要分配的內存大小(字節)
Return    :
      0xFFFFFFFF:代表錯誤
      其他:內存偏移地址
***************************************************/
u32 my_mem_malloc( u8 memx, u32 size )
{  
    signed long offset=0 ;
  u32 i, nmemb, cmemb=0 ;                                        //需要的內存塊數+連續空內存塊數
  //未初始化,先執行初始化
    if( !mallco_dev.memrdy[ memx ] )
    mallco_dev.init( memx ) ;
  //不需要分配
    if( size==0 )
    return 0xFFFFFFFF ;
    nmemb = size/memblksize[ memx ] ;                                  //獲取需要分配的連續內存塊數
    if( size%memblksize[ memx ] )
    nmemb ++ ;
  //搜索整個內存控制區
    for( offset=memtblsize[ memx ]-1; offset>=0; offset-- )
    {
    //連續空內存塊數增加
    if( !mallco_dev.memmap[ memx ][ offset ] )
      cmemb ++ ;
    else
      cmemb = 0 ;                                          //連續內存塊清零
    //找到了連續nmemb個空內存塊
    if( cmemb==nmemb )
    {
      //標注內存塊非空
            for( i=0; i

21.4 實驗例程

實驗：利用FATFS R0.14掛載SD卡與W25Q128，并在LCD上顯示SD卡的已用容量與剩余容量。

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "lcd.h"
#include "sdio_sdcard.h"
#include "w25q128.h"
#include "ff.h"
#include "exfuns.h"
#include "malloc.h"


int main()
{
  BYTE work[ FF_MAX_SS ] ;
  u32 total, free ;
  u8 res=0;
  u8 Str[ 30 ] ;
   STM32_Clock_Init( 9 ) ;                                        //系統時鐘設置
  SysTick_Init( 72 ) ;                                        //延時初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                                      //串口初始化為115200
  LCD_Init() ;                                            //初始化LCD
  W25QXX_Init() ;                                            //初始化W25Q128
  my_mem_init( SRAMIN ) ;                                        //初始化內部內存池
  while( SD_Init() ) ;                                        //初始化SD卡
  exfuns_init() ;
  f_mount( fs[0], "0:", 1 ) ;                                      //掛載SD卡
  res = f_mount( fs[1], "1:", 1 ) ;                                  //掛載FLASH
  //FLASH 磁盤,FAT 文件系統錯誤,重新格式化 FLASH
  if( res==0x0D )
  {
    LCD_ShowString( 0, 0, "Flash Disk Formatting..." ) ;                      //格式化FLASH
    res = f_mkfs( "1:", 0, work, sizeof work ) ;                          //格式化 FLASH,1,盤符
    if(res==0)
    {
      f_setlabel( ( const TCHAR * )"1:FLASH" ) ;                          //設置Flash磁盤名:FLASH
      LCD_ShowString( 0, 0, "Flash Disk Format Finish ") ;                    //格式化完成
    }
    else
      LCD_ShowString( 0, 0, "Flash Disk Format Error " ) ;                    //格式化失敗
    delay_ms( 1000 ) ;
  }
  //得到SD卡的總容量和剩余容量
  while( exf_getfree( "0", &total, &free ) ) ;
  sprintf( ( char* )Str, "total=%03d MB, free=%03d MB", total>>10, free>>10 ) ;
  LCD_ShowString( 0, 40, Str ) ;
   while(1)
  {

  }
}